本书介绍作者原创的基于方位特征的机器人机构和一般机构拓扑结构设计(发明新机构)的系统理论与方法,是20多年来国家自然科学基金连续资助项目的研究成果的系统总结。书中,第1~9章为基本理论,包括引人的三个新概念(尺度约東类型、方位特征集与单开链单元),导出的三个基本方程(串联机构方位特征方程、并联机构方位特征方程与机构自由度公式),基于有序单开链的机构组成原理及其拓扑结构特征,以及串联与并联机构拓扑结构设计的一般方法;第10~19章为十类并联机构的拓扑结构设计,包括每类并联机构拓扑结构设计的主要步骤,一种典型并联机构拓扑结构设计的详细过程及其性能分析,设计得到多种并联机构结构类型的性能分析及其分类,为优选结构类型提供依据;第20章为全书总结,并简述基于方位特征的方法与另外两种方法(基于螺旋理论的方法和基于位移子群的方法)的基本思想的内在联系与差异,以及主要特点和发晨趋势
本书可供从事机器人机构与一般机构创新设计的高等院校教师和从事机械工程设计的工程技术人员参考,也可作为高等院校机械工程专业研究生与高年级本科生的教材。
前 言
现代机械系统(即信息化机械系统,机器人为其典型代表之一)的发展推动着现代机构学的发展。在机器人的各子系统(机构、驱动、控制、传感和信息处理等)中,机构是实现机器人基本功能的执行器与骨架,是机器人实现各种运动和完成各项指定任务的主体。因此,机器人机构创新设计属于机器人技术创新与发展的核心技术。更一般地,“机构是机械产品发明创造的源泉,是实现机器给定功能的主体”(国家自然科学基金委员会工程与材料科学部《机械工程学科发展战略报告(2011~2020)》)。
机构创新设计包括三个层次:机构拓扑结构创新设计(即发明新机构)、运动学创新设计和动力学创新设计。其中机构拓扑结构设计对机构原始创新具有决定性作用,属于知识产权的范畴。机构拓扑结构是指机构中构件、运动副等元素的连接方式,它不考虑运动副、构件等元素的距离和大小,但要保持运动副轴线之间的尺度约束类型不变(详见第3章)以及机构的拓扑结构特征不变(详见第7章)。150多年来,机构学未能建立机构拓扑结构设计的系统理论与方法,目前构建机构拓扑结构学已成为国际机构学界关注的热点与难点,也是机构学家的历史性任务。基于以上背景,本书详述作者原创的机器人机构拓扑结构学,为设计人员提供具有清晰物理意义与严格数学架构的系统理论,又提供易于理解与操作的机构拓扑结构设计的实用方法
机构组成原理是构建机构拓扑结构学、运动学与动力学整体理论体系的基础。在机构学发展过程中,先后提出了三种机构组成原理及其相应的机构拓扑结构学、运动学与动力学的理论体系:19世纪下半叶,德国学者提出的基于杆、副单元的机构组成原理及其相应的机构学理论体系;20世纪上半叶,苏联(俄国)学者提出的基于 Assur组单元的机构组成原理及其相应的机构学理论体系;20世纪下半叶,美国学者提出的基于回路单元(树和连支)的机构组成原理及其相应的机构学理论体系。基于以上背景,本书详述作者原创的基于有序单开链单元的机构组成原理及其拓扑结构特征,为优选机构结构类型提供理论依据,又为机构拓扑结构学、运动学与动力学提供了新的统一建模方法,从而为构建基于单开链单元的机构学新理论体系奠定了理论基础。
近十多年,国际上逐渐形成机器人机构拓扑结构设计的三种完全不同的理论与方法:基于位移子群的方法、基于螺旋理论的方法以及本书作者原创的基于方位特征的方法,都是对机械系统的不同理解方式。本书第20章简述了三种理论与方法的基本思想、主要特点及其内在联系与不同点,以及方法论方面的思考与认识
本书的基本思想与内容安排如下。
1)引入三个新概念
(1)尺度约束类型:用于描述构件对运动副轴线之间相对方位的约東类型(第2章)。
(2)方位特征(POC)集:用于描述任意两构件之间相对运动的方位特征(第3章)。
(3)单开链单元:作为机构拓扑组成的结构单元(第2章)
2)基于三个新概念构建拓扑结构学基本方程
(1)串联机构方位特征方程(串联机构末端构件的POC集、拓扑结构与自由度三者之间的函数关系)以及POC集的并运算规则(第4章)。
(2)并联机构方位特征方程(并联机构动平台的POC集、拓扑结构与自由度三者之间的函数关系)以及POC集的交运算规则(第5章)。
(3)机构自由度公式(机构自由度、拓扑结构与构件POC集三者之间的函数关系)(第6章)。
3)基于单开链单元的机构组成原理(第7章)
(1)基于单开链单元的机构拓扑结构分解与合成方法。
(2)单开链的约束度与机构耦合度。
(3)机构的拓扑结构特征(不变量)。
4)基于拓扑结构学基本方程的机构拓扑结构设计方法
(1)串联机构的拓扑结构设计方法(第8章)
(2)并联机构的拓扑结构设计方法(第9章)。
5)基于拓扑结构设计方法的十类并联机构的拓扑结构设计(第10~19章)
(1)每类机构的拓扑结构设计过程。
(2)综合得到的多种并联机构的特性分析。
(3)基于拓扑结构特征的机构分类。
6)全书总结与建议(第20章
本章内容涉及机构学理论发展的基本思想、主要特点以及对方法论方面的思考与认识。建议有兴趣的读者先粗读此章,对理解全书是大有益处的
本书是在国家自然科学基金连续资助下(平面及空间多杆机构的分析与综合(5870249);机构结构的拓扑特征、尺度特征及动力学模型的研究(59175160);以有序单开链为单元的(平面)机械系统新理论研究(59375203);以有序单开链为单元的空间机械系统新理论研究(59875084);以单开链为单元的机器人机型设计理论、方法及其应用(50275070);基于有序单开链的机器人机构运动和动力学新理论及其应用研究(50875261)所取得研究成果的系统总结。
2004年,本书第一作者撰写的《机器人机构拓扑结构学》(北京:机械工业出版社)是当时国内外该研究领域的第一本专著。随后的七年多时间中,在国家自然科学基金的连续资助下,作者的学术研究又取得请多新进展,有必要进行系统总结并撰写新版专著《机器人机构拓扑结构设计》。期望本书既能为有关研究人员和工程设计人员提供具有明确物理意义与严格数学架构的机构拓扑学的系统理论,又能提供机构拓扑创新设计的实用方法。本书是中国学者提出的基于单开链单元机构学新理论体系的第一本专著,又是构建新理论体系的运动学与动力学系统理论的基石。
本书的撰写分工如下:杨廷力执笔第1~9章和第20章;刘安心博士(教授,解放军理工大学)执笔第13章和第16章;罗玉峰博士(教授,南昌大学)执笔第12章和第17章;沈惠平博士(教授,常州大学)执笔第10章、第15章和第19章;杭鲁滨博士(教授,上海工程技术大学)执笔第11章和第18章;金琼博士( Technical Specialist with General Dynamics Corporation,USA)执笔第14章并参与全书统稿;由杨廷力和刘安心负责全书统稿
在第一作者从事学术研究的40多年中,曾得到众多朋友与合作者的支持与帮助。为此,对Prof.张明、D.罗玉峰、D.刘安心、Dr.孔宪文、Dr.沈惠平、D.金琼、D.杭鲁滨、Eng.孙东锦、Fng.姚芳华、D.褚金奎、D.张宏、Pro[.刘川禾、D.冯志友、MC贾玉明、MRc.石宝钱、MSc章剑青、MSc.单松青、MSc李惠良和Dr.石志新等深表感谢!没有他们的合作、帮助与支持,就不可能取得系统的原创性研究成果
对白师贤教授(北京工业大学)、曹惟庆教授(西安理工大学)、张启先教授(北京航空航天大学)和黄锡恺教授(东南大学)深表感谢!感谢他们对作者从事学术研究的热情鼓励与帮助!
特别感谢国内外学者对我们提出的理论的质疑与讨论,坦率的交流促进了我们对有关理论与方法更为深刻的理解与认识!
感谢国家自然科学基金委员会多年来对我们研究方向的支持!
感谢中国石化金陵石化公司和东南大学对我们学术研究的支持!
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